Fisiologia generale

Fisiologia generale

Programma

1. Membrane cellulari e trasporto trans-membrana di soluti e acqua

Trasporti attivi, passivi e canali ionici. Compartimenti cellulari. Specializzazione della membrana plasmatica: rapporti cellula-cellula e cellula-ambiente (giunzione e canali); riconoscimento di materiali endogeni ed esogeni (recettori). Permeabilità della membrana: diffusione passiva e legge di Fick. Osmosi e pressione osmotica. Osmolarità e tonicità. Proprietà osmotiche delle cellule. Trasporto mediato da proteine: trasporto facilitato, trasporto attivo primario e trasporto attivo secondario. Proprietà strutturali e funzionali dei canali ionici. Trasporto attraverso gli epiteli.

2. Fisiologia del rene: osmoregolazione ed escrezione

Considerazioni generali. Omeostasi ed osmoregolazione. Il rene di mammifero: struttura e vascolarizzazione. Il nefrone e le sue funzioni: filtrazione glomerulare, riassorbimento e secrezione tubulare. Modificazioni tubulari del filtrato glomerulare. Scambio e moltiplicazione in controcorrente, gradiente cortico-midollare di osmolarità. Riassorbimento di sali e acqua nel tubulo distale e dal dotto collettore, e loro regolazioni ormonali (ormone antidiuretico, sistema renina-angiotensina-aldosterone, fattore natriuretico atriale). Regolazione renale della pressione osmotica e del pH del sangue.

3. Sistema nervoso e fisiologia delle cellule eccitabili

Proprietà elettriche delle membrane cellulari. Potenziale trans-membrana. Equilibrio di Gibbs-Donnan. Equilibrio elettrochimico ed equazione di Nernst. Equazione di Goldman. Caratteristiche generali delle membrane eccitabili. Proprietà elettriche passive delle membrane: capacità e resistenza. Basi ioniche del potenziale d’azione. Il voltage-clamp. Proprietà autorigeneranti del potenziale d'azione. Propagazione del potenziale d'azione: teoria del cavo. Propagazione passiva dei segnali elettrici. Costante di tempo. Costante di spazio. Modalità di propagazione del potenziale d’azione nelle fibre amieliniche e mieliniche.

4. Sinapsi

Sinapsi elettriche. Sinapsi chimiche. Meccanismo di rilascio dei neurotrasmettitori: natura quantica del rilascio, influenza della depolarizzazione e del calcio. Recettori post-sinaptici ionotropi e metabotropi. Giunzione neuromuscolare. Sinapsi colinergiche nicotiniche e muscariniche.

5. Fisiologia del movimento muscolare

Il muscolo scheletrico. Meccanica della contrazione muscolare. Basi ultrastrutturali e molecolari della contrazione e accoppiamento eccitazione-contrazione. Componenti attive e passive. Contrazione muscolare in condizioni isotoniche ed isometriche. Scossa singola e tetano. Relazione forza/lunghezza del muscolo in toto e del sarcomero. Modulazione della forza contrattile. Lavoro e fatica muscolare. Fibre muscolari ed unità motorie. Ipotesi molecolare della generazione di forza.

6. Circuiti nervosi semplici

Arco riflesso spinale: riflesso miotatico e miotatico inverso. Arco riflesso autonomo. Sistema nervoso autonomo ortosimpatico e parasimpatico. Muscolatura liscia e sua innervazione.

7. Fisiologia della respirazione: scambi gassosi ed equilibrio acido-base

Composizione dell'aria. Leggi dei gas. Meccanismo della ventilazione polmonare, scambio di gas a livello degli alveoli. Trasporto di ossigeno e di anidride carbonica nel sangue. Scambi gassosi a livello dei tessuti, consumo di ossigeno. Influenza della pO₂, della pCO₂ e del pH. Sistemi tampone e regolazione del pH del sangue. Controllo nervoso della respirazione; centri e riflessi respiratori. Barocettori e chemocettori.

8. Fisiologia del cuore e della circolazione

Aspetti generali. Il cuore: struttura, proprietà elettriche e contrattili. Potenziali pacemaker. Il ciclo cardiaco: manifestazioni elettriche, meccaniche ed idrodinamiche. Gittata cardiaca. Lavoro del cuore. Regolazione nervosa della frequenza cardiaca. Il sangue: caratteristiche generali. Dinamica dei fluidi: flusso, portata, pressione, velocità e resistenza. Emodinamica. Circolo sistemico: arterie, capillari, vene. Flusso e pressione nei vari distretti e loro regolazione. Regolazione della pressione arteriosa: riflessi barocettivi e chemocettivi.

9. Regolazione ormonale

Generalità sulle ghiandole endocrine. Natura chimica degli ormoni. Ormoni steroidei e recettori intracellulari. Ormoni che agiscono mediante recettori di membrana e secondi messaggeri. Meccanismi di regolazione dei livelli ormonali. Ormoni che regolano il metabolismo energetico: ormoni tiroidei; ormoni pancreatici e loro ruolo nella regolazione della glicemia.

10. Nutrizione, digestione ed assorbimento

Alimentazione ed energia. Generalità sul sistema digerente. Digestione dei carboidrati, lipidi e proteine. Secrezioni gastro-intestinali: acidi, basi ed enzimi digestivi. Meccanismi di assorbimento.

Cos'è la fisiologia?

Fisiologia: significa “conoscenza della natura”. La fisiologia è lo studio del normale funzionamento di un organismo vivente e delle parti che lo compongono, processi fisici e chimici compresi. La fisiologia è una scienza integrata tra le varie discipline, ma è anche una scienza integrata tra il funzionamento delle varie componenti del nostro organismo. Non c’è un singolo organo, sistema o apparato che possa funzionare in autonomia. Il funzionamento di uno condiziona inevitabilmente il funzionamento degli altri.

I principali sistemi dell’organismo

• Sistema tegumentario: La prima cosa da tenere in considerazione, e che poi ritroveremo, è che tutto è circondato da una membrana, quindi un tegumento, come ad esempio la cute che seleziona quelle che sono le informazioni che arrivano dall’esterno. È una sorta di punto di scambio con l’esterno, in entrata e in uscita. Il concetto di tegumento lo rivediamo anche su scala più piccola: le cellule hanno una membrana che isola, in maniera estremamente regolata, l’ambiente citoplasmatico da quello extracellulare, quindi, svolge più o meno la stessa funzione della cute.
• Sistema muscolo-scheletrico: Il sistema muscolare e scheletrico viene associato appunto nel sistema muscolo-scheletrico, che dà sostegno e permette il movimento. In più contiene dei sensori di propriocezione che regolano quella che è la postura e ci permettono di capire la nostra posizione nello spazio.
• Sistema respiratorio: Ci permette di scambiare gas con l’esterno.
• Apparato digerente: Apparato perché è formato da più sistemi: il sistema digerente e quello gastrico. Ci permette di assimilare cibo trattenendo tutto ciò che è nutritivo e necessario per le funzioni dell’organismo. Inoltre, ci permette di eliminare le sostanze di scarto.
• Sistema urinario: Il sistema urinario, quindi i reni che costituiscono il nostro organo osmoregolatore e organo di purificazione ed escrezione. È infatti deputato, attraverso alle urine, all’eliminazione di sostanze di scarto e al controllo della quantità di acqua e Sali nei nostri liquidi extra ed intracellulare, che vanno a costituire l’osmolarità nel nostro organismo. Regolando poi di conseguenza pH e pressione.
• Sistema riproduttivo: È un sistema che non affronteremo nel corso.
• Sistema cardio circolatorio: Questo sistema comprende cuore e circolazione, due cose strutturalmente diverse ma strettamente associate l’una con l’altra. Il cuore è una pompa localizzata in un punto ben preciso ed è collegato al sistema circolatorio, quindi ai vasi sanguigni, che fungono da conduttori del sangue. Quest’ultimo è il fluido che porta gas (ossigeno, anidride carbonica e altri), ioni, nutrienti, ecc. in tutto l’organismo. È anche un sistema di informazione, oltre che di sostegno nutritivo e di sopravvivenza per l’organismo, infatti nel sangue viaggiano gli ormoni, che sono delle molecole di segnalazione.
• Sistema nervoso: Il sistema nervoso è fondamentale in quanto regola la funzione di tutti gli altri organi.
• Sistema endocrino: Sistema che sintetizza o rilascia in seguito a stimolazioni specifiche molecole nell’organismo.
• Sistema immunitario: Importante sistema che ha la funzione di difendere l’organismo ed è costituito da una complessa rete integrata di mediatori chimici e cellulari.

L’omeostasi

L’omeostasi è la capacità degli esseri viventi di mantenere l’ambiente interno relativamente stabile. Possiamo traslare il concetto di omeostasi a qualunque livello: anche la cellula è impegnata nell’omeostasi, ovvero mantenere l’equilibrio rispetto a ciò che la circonda. Il nostro organismo riesce a mantenere l’omeostasi e per qualsiasi cosa che viene alterata riesce a mantenere e modulare. L’omeostasi è sotto attacco costantemente, ad esempio basta che ingeriamo più sale e andiamo ad aumentare l’osmolarità, che quindi deve essere riportata ai livelli normali. Quando le alterazioni sono tante e concomitanti e l’organismo non riesce da solo a mantenere l’equilibrio, abbiamo la patologia.

Le membrane biologiche

In fisiologia troviamo diversi tipi di membrane, da quella pericardica che avvolge il cuore a quella cellulare che avvolge le cellule. Inoltre, anche all’interno della cellula gli organuli sono rivestiti da una membrana che però è altamente diversificata in base alla funzione di quello specifico organello.

Membrana plasmatica

Tutte le membrane, osservate al microscopio ottico, hanno un aspetto tripartito, ovvero due strisce più scure (quindi più dense) all’esterno e una striscia più chiara all’interno. Già questo ci dice che la struttura della membrana è diseguale e particolare.

Funzioni

• Delimitare le cellule e determinare quindi la formazione di un ambiente interno e uno esterno.
• Mantenere una differenza tra questi due ambienti. Queste differenze, sia di composizione che funzionali, sono fondamentali per il corretto funzionamento dell’organismo.
• Per quanto riguarda le membrane degli organelli, è quella di mantenere queste differenze anche tra il compartimento e l’interno della cellula.
• Trasferimento informazioni tramite recettori di superficie.
• Supporto ad enzimi e proteine per l’interazione con altre cellule o con la matrice extracellulare.
• Creazione e mantenimento di gradienti ionici (Na, K, Cl, Ca).
• Genesi del potenziale elettrico trans-membrana.

Carica prevalentemente negativa all’interno del citoplasma e positiva all’esterno.

Organizzazione: modello a mosaico fluido

Il primo a scoprire la composizione lipidica della membrana fu Overton che usando eritrociti come osmometri, scoprì che maggiore è la solubilità di una sostanza nei lipidi, maggiore è la sua capacità di penetrare la membrana cellulare. Da ciò dedusse che le membrane contenessero notevoli quantità di lipidi. Le membrane hanno infatti una struttura base formata da un doppio strato fosfolipidico. Poi abbiamo anche diverse concentrazioni di colesterolo e infine di proteine. Per quanto riguarda le proteine, queste possono essere molto differenziate e possono svolgere diverse funzioni.

Prove a favore del doppio strato lipidico (Gorter e Grendel)

Per confermare l’ipotesi del doppio strato lipidico, l’esperimento più noto è quello svolto da Gorter e Grendel. La caratteristica principale dei fosfolipidi è infatti di essere delle molecole anfipatiche, quindi, costituite da una parte idrofoba (code di acidi grassi) e una parte idrofila (testa polare). Di conseguenza, se queste molecole vengono poste in acqua, si disporranno con le code lontano dall’acqua. L’esperimento, quindi, consisteva nel lisare osmoticamente i globuli rossi e poi disporre i componenti della membrana sull’acqua. Ciò che notarono fu che i fosfolipidi estratti occupavano un’area pari a circa il doppio di quella dei globuli rossi di partenza.

Struttura

Quindi la membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico, e queste molecole possono avere delle code di acidi grassi con una lunghezza media che vada 12 a 24 atomi di carbonio. In più, gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi. Nel primo caso si hanno delle code appunto “sature” di atomi di idrogeno e di conseguenza hanno solo legami singoli. Al contrario, i grassi insaturi, che appunto sono “insaturi” di atomi di H, per compensare questa condizione, formano dei doppi legami, fino ad arrivare addirittura a 6 doppi legami. Quest’ultimi determinano nella coda la formazione di angoli e parti più irregolari.

N.B. Il motivo per cui gli acidi grassi saturi fanno male è proprio dato dalla loro struttura con soli legami singoli, in quanto questo determinerà una coda molto più regolare priva di angoli. Questa condizione causerà un’aggregazione molto più stretta tra gli acidi grassi, che di conseguenza saranno più difficili da smaltire. Le caratteristiche delle code influiscono molto sulla parete (più grassi insaturi ci sono, più sono lasse).

La componente fosfolipidica

I fosfolipidi predominanti nella membrana sono quattro e ciò che li caratterizza è appunto la testa, ovvero la regione polare che si associa a molecole diverse.

• Fosfatidil-etanolammina: Con appunto fosfatidil-etanolammina, una base azotata.
• Fosfatidil-serina: Associato a una serina, un amminoacido.
• Fosfatidil-colina: Associato alla colina, una base azotata.
• Sfingomielina: Fosfolipide che contiene l'acido grasso sfingolo al posto del glicerolo, ed è particolarmente abbondante nelle membrane cellulari di cellule che vanno a formare la mielina.

N.B. Tutti questi fosfolipidi hanno carica neutra, a parte uno, il fosfatidil-serina, che invece ha carica netta negativa, ovvero ha una carica negativa in più. Questo ci fa capire che questi tipi di fosfolipidi avranno un ruolo determinante nella funzione della membrana.

Fosfatidil-inositolo

Inoltre, abbiamo i fosfatidil-inositoli, dei fosfolipidi particolari e importanti in quanto la loro funzione non è strutturale ma piuttosto sono importanti per dei meccanismi di trasduzione del segnale, cioè di trasferimento di un’informazione che arriva da un ligando esterno, all’interno della cellula. Quello che noi incontreremo più spesso è il fosfatidil-inositolo 4, 5 bifosfato (PIP₂), che si trova solo nel foglietto interno della membrana plasmatica. Quando arriva un messaggio dall’esterno, questi vanno ad attivare degli enzimi, come ad esempio la fosfolipasi C, che ha come bersaglio il 4, 5 bifosfato. Quest’ultimo verrà quindi tagliato in due componenti:

• Diacilglicerolo (DAG)
• Inositolo 1, 4, 5 trifosfato (IP₃)

Il diacilglicerolo (DAG), rimane associato alla membrana e tra le varie funzioni ha quella di attivare la protein chinasi C, ovvero un enzima di fosforilazione che andrà a fosforilare un numero x di substrati. L’altro componente invece, l’inositolo 1, 4, 5 trifosfato IP₃ (un fosfato viene aggiunta dalla fosfolipasi C), viene liberato nel citoplasma e andrà ad interferire con dei canali per il Ca²⁺ che si trovano sul reticolo liscio, e ne determineranno l’apertura per far entrare il Ca²⁺ nel citoplasma.

N.B. Il Ca²⁺ è un potentissimo segnalatore, attivatore di moltissime attività nella cellula.

Distribuzione di fosfolipidi nella membrana

Abbiamo detto che nelle membrane cellulari prevalgono principalmente 4 fosfolipidi, ma una cosa molto interessante riguarda la loro distribuzione. Vediamo infatti dalla tabella affianco che due di questi fosfolipidi, precisamente la sfingomielina e la fosfatidilcolina si trovano principalmente nel foglietto esterno. La fosfatidiletanolammina è invece prevalentemente distribuita in quello interno, e infine la fosfatidilserina si trova esclusivamente nel foglietto interno. Questo ci da un’informazione importante: l’unico fosfolipide con carica netta negativa è rivolto totalmente verso il citoplasma e andrà a costituire una delle componenti che da carica negativa all’interno della cellula.

N.B. Inoltre, solo i fosfolipidi del foglietto esterno possono essere glicosilati, e quindi avere uno o più residui di zucchero che formeranno un albero glucidico più o meno complesso.

Movimenti membrana cellulare

Il doppio strato fosfolipidico forma un fluido bidimensionale, questo vuol dire che i fosfolipidi in tutte le membrane non stanno fermi al loro posto ma sono soggetti con una diversa percentuali a diversi movimenti. Possono avere delle vibrazioni intramolecolari, che in realtà sono tipiche di tutte le molecole. Un altro movimento è la flessione delle catene (1), abbastanza frequente. Abbiamo poi le rotazioni (2), quando i fosfolipidi ruotano su sé stessi. La diffusione laterale (3), quando i fosfolipidi traslocano da una zona a un’altra. I corrugamenti (4) sono invece movimenti che interessano una certa zona della membrana e non il singolo fosfolipide, quindi, la membrana può cambiare forma e dare luogo a concavità avvallamenti, flessioni ecc. Un movimento particolarmente interessante e molto più raro è quello del flip-flop (5), nella quale un fosfolipide da un foglietto viene traslocato a quello opposto. Questo di solito avviene grazie a proteine che si chiamano flippasi e che aiutano la traslocazione. Questo movimento è caratteristico per la sintesi dei fosfolipidi, che vengono sintetizzati.